Sebastian Loth 教授和他的團隊以前所未有的空間和時間精度捕獲了固體中的原子級電子運動，推動了材料研究。他們的發現可能透過揭示原子變化如何影響電子運動來導致更有針對性的材料開發。
Sebastian Loth 教授和他的團隊首次在原子尺度上以卓越的空間和時間分辨率捕捉了固體中電子的運動，標誌著材料研究的重大進步。他們的研究結果發表在《自然物理學》雜誌。
「透過我們開發的方法，我們可以讓前所未見的事物變得可見，」斯圖加特大學功能物質和量子技術研究所 (FMQ) 常務董事 Sebastian Loth 教授說道。 “這使得解決自 20 世紀 80 年代以來一直懸而未決的固體中電子運動問題成為可能。”不過，Loth團隊的發現對於新材料的開發也具有非常現實的意義。
微小的改變會帶來宏觀的後果
在金屬、絕緣體和半導體中，物理世台灣電話號碼庫 界很簡單。如果在原子層面上改變一些原子，宏觀性質保持不變。例如，以這種方式改性的金屬仍然具有導電性，而絕緣體則不然。
然而，更先進的材料的情況有所不同，這些材料只能在實驗室中生產：原子層級上的最小變化會導致新的宏觀行為。例如，其中一些材料突然從絕緣體變成超導體，即它們導電而沒有熱損失。這些變化可以在皮秒內極為迅速地發生，因為它們直接在原子尺度上影響電子在材料中的運動。
皮秒非常短，只有萬億分之一秒。它與眨眼時間的比例與眨眼時間與3000多年時間的比例相同。
記錄電子集體的運動
洛斯的工作小組現在已經找到一種方法來 Read more“斷密度不適用總結報告” 觀察這些材料在原子層面上發生如此微小變化時的行為。具體來說，科學家研究了一種由鈮和硒元素組成的材料，其中可以以相對不受干擾的方式觀察到一種效應：電荷密度波中電子的集體運動。
洛斯和他的團隊研究了單一雜質如何阻止這種集體運動。為此，斯圖加特研究人員對材料施加了僅持續一皮秒的極短電脈衝。電荷密度波被壓在雜質上，並將奈米尺寸的畸變發送到電子集體中，從而在短時間內在材料中引起高度複雜的電子運動。
現在提出的結果的重要初步工作是在斯圖加特的馬克斯·普朗克固態研究所（MPI FKF）和漢堡的馬克斯·普朗克物質結構與動力學研究所（MPSD）完成的，洛斯一直在這兩所研究所進行研究在他被任命到斯圖加特大學之前。開發具有所需性能的材料
「如果我們能夠理解電子集體的運動是如何停止的，那麼我們還可以更有針對性地開發具有所需特性的材料，」洛斯解釋了這一結果的潛力。或者換句話說：由於不存在沒有雜質的完美材料，因此開發的顯微鏡方法有助於了解雜質應該如何排列才能達到預期的技術效果。
「原子層次的設計對材料的宏觀特性有直接影響，」洛斯在描述研究結果的意義時說。例如，這種效應可用於未來感測器或電子元件中的超快開關材料。
每秒重複 4,100 萬次的實驗
「有一些既定的方法可以可視化單目錄 個原子或其運動，」洛斯解釋道。 “但是通過這些方法，你可以實現高空間分辨率或高時間分辨率。”為了讓新型斯圖加特顯微鏡實現這兩點，這位物理學家和他的團隊將掃描穿隧顯微鏡（可在原子層級上解析材料）與稱為泵浦探針光譜法的超快光譜方法結合。
為了進行必要的測量，實驗室設置必須具有極其良好的屏蔽。振動、噪音和空氣流動以及室溫和濕度的波動都是有害的。 「這是因為我們測量的是極其微弱的訊號，否則這些訊號很容易在背景噪音中丟失，」洛斯指出。
此外，團隊必須經常重複這些測量才能獲得有意義的結果。研究人員能夠優化他們的顯微鏡，使其每秒重複實驗 4,100 萬次，從而實現特別高的訊號品質。 「到目前為止，只有我們能夠做到這一點，」洛斯說。